氫是元素周期表中最輕的元素，但也是最擅長(zhǎng)逃逸的元素之一。由于氫原子極小，它可以從存儲(chǔ)材料的原子級(jí)縫隙中滲出，這也是制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的主要問題之一。

中國(guó)蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，天然產(chǎn)物化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省先進(jìn)催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)提出了解決方案：按需制氫技術(shù)。他們開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的化學(xué)體系，將商業(yè)三鎢酸銨（Ammonium Metatungstate, W12）和石墨相氮化碳（g-C3N4）懸浮于液體中。該體系能夠捕捉太陽(yáng)能，并非將其轉(zhuǎn)換為電能，而是直接按需生成氫燃料，甚至在黑暗環(huán)境下也能運(yùn)行。

該系統(tǒng)具有雙重優(yōu)勢(shì)：即使在無光環(huán)境下，也能利用太陽(yáng)能；消除了高壓氫氣運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)。

根據(jù)發(fā)表在《Advanced Materials》上的研究結(jié)果，該體系在黑暗條件下的氫產(chǎn)率達(dá)到3,220μmol g?1 h?1，在自然陽(yáng)光下為954μmol g?1 h?1，相較于同類暗光催化系統(tǒng)，這一表現(xiàn)極為突出。

植物在光合作用中實(shí)現(xiàn)了巧妙的能量平衡：先通過光反應(yīng)捕獲陽(yáng)光能量，再通過暗反應(yīng)利用儲(chǔ)存的能量驅(qū)動(dòng)化學(xué)過程。受到這一策略啟發(fā)，科學(xué)家們一直在嘗試構(gòu)建人工光合作用系統(tǒng)，希望開發(fā)一種即便在日落后仍能運(yùn)行的綠色制氫方法。

多金屬氧簇（Polyoxometalates, POMs）是一類能夠存儲(chǔ)和釋放多電子的金屬氧簇材料，是該策略的理想候選。然而，目前基于 POM 的暗光催化制氫系統(tǒng)僅有少數(shù)實(shí)現(xiàn)，并且大多依賴復(fù)雜、難以搭建的催化體系，還常常需要外部電源。

研究團(tuán)隊(duì)通過靜電組裝法將石墨相氮化碳半導(dǎo)體與商業(yè)三鎢酸銨結(jié)合在甲醇溶液中，形成一種懸浮體系。該體系能夠同時(shí)支持光能捕獲階段與暗反應(yīng)階段，內(nèi)部存儲(chǔ)能量以驅(qū)動(dòng)氫氣生成。

當(dāng)暴露在陽(yáng)光下時(shí)，石墨相氮化碳吸收光能，觸發(fā)電子產(chǎn)生，并將電子傳遞至鎢 POM，起到電子儲(chǔ)存介質(zhì)的作用。液體顏色從淡黃轉(zhuǎn)為藍(lán)色，顯示能量已被安全儲(chǔ)存。

在需要按需制氫時(shí)，加入鉑基催化劑即可釋放儲(chǔ)存的電子，觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)生成氫氣。

進(jìn)一步分析表明，兩種材料的能級(jí)完美匹配，接觸時(shí)形成內(nèi)部電場(chǎng)，使電子傳輸速度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄水平，同時(shí)增強(qiáng)了暗反應(yīng)階段的氫產(chǎn)率。

研究人員認(rèn)為，該體系能夠在各種天氣條件下穩(wěn)定制氫，并具有實(shí)際放大應(yīng)用潛力。未來，該方法可實(shí)現(xiàn)在陽(yáng)光充足地區(qū)安全制氫，并輸送至能源匱乏地區(qū)，無需依賴危險(xiǎn)的高壓儲(chǔ)氫設(shè)施。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519875?utm_source=chatgpt.com

（素材來自：蘭州大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）